JPS6315120A - 流量計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、流体の流量を計測する流量計測装置に関す
るものである。

〔従来の技術〕

従来の流量計は、大部分が体積流量計で、一部が質量流
量計である。

すなわち、差圧式流量計、うず流式流量計等はいずれも
体積流量計であり、流体の流れによる特性を利用したも
のである。また容積式流量計としてＳ！楓的構成による
もの、電磁式流量計、ａ音波式流量計などがある（技術
資料「流体計測法」日本機械学会Ｐ、１６６〜１７３参
照）、また質量流量計としては、回転体の慣性に基づく
コリオリの力を利用したものが実用化されている。また
浮子式流量計、タービン式流量計等も用いられている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記のような従来の流量計測装置において、流体の特性
を利用する差圧式、うす流式、浮子式等の種類の流量計
は、流体条件の種類、混合比、成分比、粘性、密度等の
相違、または経時変化、あるいは測定条件の温度、圧力
等によって測定精度が影響され、計測信頼性が低い欠点
があった。

機械的構成による容積式、タービン式等の流量計は、上
記の流体条件の影響を受は難いが、測定条件の影響が適
当な補正を行うことが必要である。この種のＲ，ｍ計は
、異物の混入によって回転部を摩耗させたり、回転接触
部の間隙にはさまって使用不能になる。あるいは細メツ
シユのフィルタを付加することによってフィルタの目詰
りを生じ、頻度の高い保守点検を必要とする等の欠点が
あった。

電磁式流量計は、流体が電導性または磁性体を含む場合
以外は使用不可能な欠点があった。

超音波式流量計は、音波が流体物質の疎密波であり、温
度、圧力の影響から、層流域の水のような場合以外は精
度が悪くて使用不可能である欠点があった。

回転体の慣性質量に作用するコリオリの力を利用した方
式は、流体を通ずる管を円形に曲げ、流体をある速度で
流すと管は静止しているが、流体は回転している慣性質
量を有する物体と見なせるため、管に振動を与えたとき
、振動を与えた力の方向と直角の方向に管がねじれる。

この変位量は流体の慣性質量に比例した量となる。この
ようにコリオリの力を利用した方式は上記の原理に基づ
くため、管内の流速、すなわち、回転体角速度が大きい
か、または質量の大きな流体、あるいは大流量でなけれ
ば、管材の応力も考慮すると精度の高い変位量を得るこ
とができない、したがって、大流量、大質量の流体はど
精度が高いが、小流量、小５！を量の流体については十
分な精度が得られない欠点があった。また流量計内の流
速を高めて検出変位量を大きくするので、管径が細く長
くなり、圧力損失が大きくなって被測定系のポンプ動力
の増大、供給流量の減少等の問題点があった。

この発明は、上記の問題点を解決するためになされたも
ので、粘性の大小、成分変化等の広範囲の流体条件に適
応し、かつ温度、圧力等の゛測定条件にも広範囲に適応
できるとともに圧力損失も少なく、静止構造で故障原因
も極めて少ない流量計測装置を得ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明にかかる流量計測装置は、内部に電気抵抗発熱
体を有し、内部より外表面に熱損失を生じないように補
償手段を施した流体加熱器と、この流体加熱器の流体出
入口の温度差を計測する手段と、流体加熱器の消費電力
を計測する手段と、流体加熱器のバイパス流路と、この
バイパス流路の分岐点に配設した三方弁と、この三方弁
を開閉制御する手段とからなるものである。

〔作用〕

この発明においては、流体加熱器の入口と出口における
流体の温度差を計測して流量計測指示値を得る。また三
方弁を開閉制御して流体条件の変化に伴なう較正係数を
修正する。

〔実施例〕

第１図はこの発明の一実施例を示す構成図で、１は損失
補償用の電気抵抗発熱体、２は後述の流体を加熱する電
気抵抗発熱体、３は流体加熱器、４は流体加熱器出入口
温度差変換器、５は電力計、６は前記流体加熱器３の出
入口の温度を検出する熱電対、７は流量演算器、８は電
力調節器、９は温度調節器、］Ｏは測定用電源、１１は
被測定用の流体、１２は前記流体１１の乱流促進板、１
３は外壁で、均熱板により形成されている。

１４は断熱材、１５は前記流体１１のバイパス流路、１
６は三方弁、１７は前記三方弁１６を操作する電磁コイ
ル、１８はタイムシーケンサ、１９は前記流体加熱器３
の内壁温度検出器、２０は外壁温度検出器である。なお
、流体加熱器３は断熱材１４を使用する代りに真空の断
熱間隙とすることができる。

この発明の流量計測は。

の式によっている。

この発明の流量計測装置による流量計測は、上記の式に
基づき、流体加熱器３の内部熱エネルギーが外表面に向
って熱損失を生じない系において次の第（１）式、第（
２）式の熱平衡条件が成立する。

Ｗ＝Ｋｏ−Ｃ□（■）・ρｃＴ＞−ｃＶ−ΔＴ　（ｗ）
−・・（１）Ｗ＝　Ｋｏ−Ｃ，ｖ（ｒ＞・ＧＶ−ΔＴ　
　（Ｗ）　　・＝−・・・・・　（２）ただし、Ｗは内
部発熱体の電力（Ｗ）　ｔｅａｍ（１）の密度（ｇ　／
　ａｍ３）　　＊　Ｇ　ｖは流体１１の体積流量〔ＣＩ
！＋３／Ｓ〕、ΔＴは流体加熱器３の出入口の温上記の
平衡条件から体積流量は第（２）式より・・・・・・・
・・・・・（５） 工業単位では また質量流量は第（１）式および第（４）式より工業単
位では 上記の式から流量を計測するためには、流体１１の質量
比熱Ｃｐｓ（Ｔ）の温度変化特性曲線９体積比熱Ｃｐｖ
（Ｔ）の温度変化特性曲線あるいは密度ρ（Ｔ）の温度
変化特性曲線を事前に調べておくことによって較正係数
値とし、流体加熱器３の内部消費電力を単位量とすると
、第（５）弐〜第（８）式は下記のようになる。

ただし、Ｗ＝　１　（ｗ）、Ｗ’　＝　１　（ｋｗ）。

に３＝　　　　　　　’　Ｋ’　＝　　Ｃ’ｐｍ（Ｔ）
Ｋｏ”Ｃｐｓ（Ｔ） 第（９）弐〜第（１２）式に示すように流体加熱器３の
出入口温度差を測定入力とし演算結果を出力すれば、必
要とする流量計測指示値を得る。

温度差を高精度に計測する手段と作用は、第２図（ａ）
に示すとおり、多数の熱電対６を出口。

入口の温度検出部に分布して配置し、出口、入口の熱電
対６を各１対ずつ差温となるよう組み合わせて多数直列
接続することによりわずかな温度差、すなわち、熱起電
力差を直列側数倍に拡大するとともに熱電対６の固体差
を平均化して真値に近づける。さらに、第２図（ｂ）の
ように、流体１１の通路に分布して配置するため、流体
の温度分布差に対し平均した値を計測できる。また検出
部の流体１１の流れる方向の上流部には、流体１１の攪
拌と、伝熱性を高めるために乱流促進板１２を設けて温
度検出の精度向上作用をもたせている。

内部から外表面に熱損失が生じないようにする手段と作
用は、第１図に示すように断熱材１４または真空断熱間
隙を挟んで内壁温度検出器１９の温度ＴＩ　と等温の外
壁１３が面と対向して存在すれば流体加熱器３からは外
部に熱の授受を行わない、したがって、流体加熱器３の
内壁の温度ＴＩを数点検出し、その平均温度に常に等温
となるように外壁（均熱板）１３の平均温度Ｔ２を追従
制御することによって流体加熱器３の内部からは外表面
に向って熱損失を発生しない作用がある。外壁（均熱板
）１３を加熱する手段は、電気抵抗発熱体１を巻き付け
るか、面発熱体素材を外壁（均熱板）１３の形状に合わ
せてつくり加熱する。その他、熱媒循環方法等の手段で
もよい。

較正係数値の修正作用は、作用温度範囲が事前に設定さ
れるか、あるいは使用温度範囲が小さく限定された場合
、従来の流量計と同様に特性曲線による目盛較正で良い
が、流体条件が大幅に変わる場合、例えば、種類の変更
、混合比、成分比。

不純物比２分解物比、結合物比が変更、あるいは経時変
化すると、比熱その他の物性値も変化する、また測定条
件の温度、圧力等も較正特性曲線の無い範囲に変更する
場合に対し、この発明の流量計測装置は、次の較正係数
値の修正作用を有している。この発明を構成する流体加
熱器３は、熱量計に近い形状である。また第１図のよう
にバイパス流路１５と三方弁１６を付加してあり、三方
弁１６の操作を、例えば電磁操作による開閉によって被
測定用の流体１１の循環は一時的にバイパス側に移り、
全体の流体系に外乱を与えることなく、流体加熱器３を
一時的な溜り部分とすることができる。

第３図（ａ）、（ｂ）は流体］１が数秒〜数十秒間閉じ
られた流体加熱器３の状態を示した場合の説明図と特性
図である。

ここで、ｄＱを内部熱量増分（ｃａｌｌ）、ｄｑを流体
１１の受熱量増分（ｃａ父）、ｄｑｏを流体加熱器３．
電気抵抗発熱体２．内壁温度検出器１９等の容器、器物
の受熱量増分（ｃａ文〕、ｔを閉じ込め時間（ｓ）、Ｃ
ａｏｕ）を流体加熱器３加熱器３内の流体］１の体積（
ｃｍ”　）　　、　ｄＴをｔ秒間の温度上昇（’０）、
Ｍを流体加熱器３等の質量（ｇ）、ｗを内部供給電力（
Ｗ）とすると、ｄ　Ｑ＝　ｄａ　＋　ｄａｏ　（Ｃａ　
１，１　＝・”−−・・・（１３）ｄａ　　＝　　Ｃｐ
Ｖ（Ｔ）　　　会　Ｖ　　＊　　ｄＴ　　（ｃ　　ａＪ
ＩＤ　　・・−（１４）ｄａｏ＝Ｃｐｏｕ）１Ｍｅ　ｄ
Ｔ　（ｃ　ａＭ）−・・（１５）となる。ここで、流体
加熱器３の鉄または鉄に類する金属の比熱は流体１１に
比べ温度変化が極めて小さいので一定とみなし、第（１
３）弐〜第（１６）式から次の式が求められる。

・・・・・・・・・・・・・・・（１７）ここに、 とすると、液体１１の体積比熱は次式で計測できる。

・・・・・・・・・・・・・・・（１８）温度上昇：ｄ
Ｔは、三方弁１６の操作直前の流体を記憶させ、三方弁
１６の再操作直後の流体加熱器３の出口温度との差によ
って計測できる。この発明の流量計測装置は、体積比熱
：Ｃ０ｖ（Ｔ）が未知の流体においても数分毎に数秒間
の三方弁１６の操作を自動的に行い較正係数値を修正す
ることができる作用をもっている。

第１図の実施例においては、流体加熱器３の出入口の部
分は高精度化のためには多数の熱電対６を直列にするが
、第１図では簡略化しである。そして、内部から外表面
に向って熱損失が生じないために、流体加熱器３の温度
ＴＩ　と断熱材１４または真空間隙を挟んで対面する外
面に外壁（均熱板）１３を設け、その温度Ｔことを温度
調節器９に入力し、偏差が常に零となるように電力調部
器８を制御する信号を出力して外壁（均熱板）１３に巻
いである電気抵抗発熱体１の発熱量を調節しである。ま
た流体１１の体積比熱：Ｃｐｖ（Ｔ）の未知な状態では
、三方弁１６が自動操作により１０秒間バイパス流路１
５に流体１１を移し、流体加熱器３の入口を閉じたとき
の例では次のようになる。

Ｋｏ　　＝４．１９　、Ｗ＝ｌＯ００（ｗ）、ｔ＝１０
　　（ｓ）、Ｖ＝５００　　（ｃｍ３）、Ｃｐｓ＝０．
６　、Ｍ＝５００　（ｇ） において、三方弁１６を再操作した時の内部温度増分が
ｄＴ＝４Ｃ℃）と計測されたとき、第（１８）式より、 を得て第（８）式の較正係数二に１　を修正し、第（９
）式は、 ・・・・・・・・・・・・・・・（１９）として計算で
きる。

〔発明の効果〕

以上説明したようにこの発明は、内部に電気抵抗発熱体
を有し、内部より外表面に熱損失を生じないように補償
手段を施した流体加熱器と、この流体加熱器の流体出入
口の温度差を計測する手段と、流体加熱器の消費電力を
計測する手段と、流体加熱器のバイパス流路と、このバ
イパス流路の分岐点に配設した三方弁と、この三方弁を
開閉制御する手段とからなるので、粘性の大小、成分変
化等広範囲の流体条件に適応し、温度、圧力等の測定条
件にも広範囲に適応できるとともに、圧力損失も少なく
、静止構造で故障原因も極めて少ない等、広範囲で信頼
性が高く、保守費の低減と、流体条件の変更に伴う較正
手数を必要としない等の利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す構成図、第２図（ａ
）、（ｂ）は第１図の要部を示すもので、第２図（ａ）
は側面図、第２図（ｂ）は第２図（ａ）のＩ−Ｘ線によ
る断面図、第３図（ａ）、（ｂ）は流体が流体加熱器に
閉じ込められた状態を示す説明図と特性図である。 図中、１，２は電気抵抗発熱体、３は流体加熱器、４は
流体加熱器出入口温度差変換器、５は電力計、６は熱電
対、７は流量演算器、８は電力調節器、９は温度調節器
、１０は電源、１１は流体、１２は乱流促進板、１３は
外壁、１４は断熱材、１５はバイパス流路、１６は三方
弁、１７は電磁コイル、１８はタイムシーケンサ、１９
は内壁温度検出器、２０は外壁温度検出器である。 第３図 ｆａ） ｔ（ｓ）−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 内部に電気抵抗発熱体を有し、内部より外表面に熱損失
   を生じないように補償手段を施した流体加熱器と、この
   流体加熱器の流体出入口の温度差を計測する手段と、前
   記流体加熱器の消費電力を計測する手段と、前記流体加
   熱器のバイパス流路と、このバイパス流路の分岐点に配
   設した三方弁と、この三方弁を開閉制御する手段とから
   なることを特徴とする流量計測装置。